自动供水控制系统校正装置设计论文.doc

设计题目：自动供水控制系统校正装置设计 已知某自动供水控制系统不可变部分传递函数为: ,要求系统满足以下性能指标：超调量，,系统带宽不大于05rad/s。用根轨迹设计法确定由近似PI控制器实现的串联滞后校正参数设计目的 通过课程设计，掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB实现系统的仿真与调试。设计要求 收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规范的应用；对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；撰写说明书。具体要求如下：1.根据所学的控制理论知识（频率法、根轨迹法等）进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；2.在MATLAB下，用SINULIN进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；3.确定校正装置的电路形式及电路参数（选作）；4.完成设计报告。 本课程设计以设计报告的形式提交，要求论点清楚，论据充分，结构合理；分析问题有层次。包括设计思想，设计过程，图（曲线），总结和数字仿真。设计思想： 根据传递函数画出系统原来的根轨迹，初步了解系统的性能。然后根据题目校正数据，比如超调量，调整时间，带宽等计算系统希望的闭环主导极点。进一步计算系统校正装置的极点和零点，进而求取校正后的根轨迹，验证其是否满足所给的各项性能指标。最后运用MATLAB进行系统仿真，进行人工测试，使其满足系统要求。设计步骤：(1)未校正系统的根轨迹：系统的开环极点有四个，分别为：P1=0，P2=-4，P3=-10，P4=-201. 系统有四条根轨迹，分别起始于0，-4，-10，-20，均终止与无穷远处；2. 根轨迹关于实轴对称，且连续变化；3. 根轨迹在实轴上的区段为：（-20，-10），（-4,0）；4. 根轨迹的渐近线：与实轴的交点为：，渐近线倾斜角为：；5. 根轨迹的分离点会合点： 得： ， 均为根轨迹的分离点；6. 根轨迹与虚轴的交点： ； 即；令实部虚部都等于零，即 且得 ： 或 。由以上步骤可得系统未校正前的根轨迹：手绘图：利用MATLAB软件绘制根轨迹：在MATLAB窗口输入以下程序： num=1; den=1 34 320 800 0; rlocus(num,den) (2) 根据要求的动态响应指标，确定希望的闭环主导极点； M=exp(-)100=20 得 rad/s确定希望的闭环主导极点：。(3) 确定系统带宽：闭环截止频率，将rad/s代入得，rad/s，符合题目要求，在05rad/s范围内，故满足题意。（4） 确定满足性能指标而应增大的误差系数值：由幅值条件，确定原系统在希望极点上的增益 ,.(5) 由应增大的误差系数值确定校正装置值：取。(6) 过作射线，使其与线的的夹角小于，此线与负实轴交与0.1处，即为校正装置零点的坐标，再由值求出校正装置的极点，则滞后校正装置为: (7) 校正后系统开环传递函数: 在MATLAB环境下，输入以下程序，即得校正后系统的根轨迹，校正后系统根轨迹： num=1 0.1; den=1 34.01 320.34 803.2 8 0; rlocus(num,den) 将图部分放大得一下二图：新的闭环主导极点在阻尼比不变的前提下，由校正后的根轨迹求得 在该点开环增益为 放大器增益 =K10=1465.校正后系统的静态速度误差系数 = =1.83(9) 校正后系统各项性能指标：系统阻尼比=0.5，系统无阻尼自然振荡频率=2.5rad/s，略小于原来的2.51rad/s，意味着调整时间稍有变化，速度误差系数也满足要求。若在这允许范围内，设计是合理的，否则应重新选校正装置的零点，极点。Simulink仿真与调试 在Simulink环境下运行仿真之后校正装置，分别进行校正前后的单位阶跃响应曲线。在MATLAB环境下先输入校正装置前的，即系统原来的单位阶跃响应;在MATLAB环境下输入校正后的单位阶跃的程序，对比校正的曲线，确定其校正装置是否较好。 首先在MATLAB环境下，建立仿真模型。系统未校正前为为四阶，选择正确的积分环节和正确的惯性环节，并画出正确的连接图。系统校正后为五阶，有一个积分环节，四个惯性环节，并且有零点，所以应正确的修改参数和增益。建立模型图之后，利用scope动态仿真，通过超调量，调整时间等数据来确定校正效果，分析校正结果。 根据校正装置的传递函数，在MATLAB环境下做出传递函数仿真模型图，利用scope仿真，其结果如上图所示。前者是装置未校正前的，后者是装置校正后的。对比二图，可看出装置调整时间变短，且更加稳定。校正装置的电路形式RC网络构成的滞后校正装置，其传递函数为 其RC滞后网络为：令则 ，得方程组: 取,得确定其参数后，得其详细滞后网络为：设计总结 在本次的设计中我通过计算及的值，更加深刻地了解了其内涵，了解其主导极点对此函数的影响。加强对滞后装置的认识，并掌握其设计方法。其计算过程中也存在很多问题，比如取值不当，数据处理不当，数据选择不当等很多问题。我深深的明白了想要做好一个设计必须广泛的查阅相关资料，选择好的方法仔细计算，反复对自己的设计思路进行修改，对系统设计方案进行选择和分析，选择最优化的数据校正，以做到最好。此次课程设计是第一次尝试，遇到了很多问题，比如MATLAB